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葉片形狀優化對耐高溫離心風機金屬葉輪穩定運行的影響

葉片的結構優化對離心風機金屬葉輪平穩運行有著重要的影響。目前很多學者研究了葉片出口安裝角的結構優化以及葉片高度的結構優化，但是對于葉片形狀的結構優化研究得較少。同樣由圖6效率曲線對比圖可知,加進氣箱后風機整體效率降低，與原始耐高溫離心風機相比其高效區域比較窄，縮短了工作區域，且加進氣箱后較優工況點向小流量區偏移。氣流在葉片的不同區域的流動有很大的不同。在葉輪前盤，氣流的流動方式主要是軸向流動。在葉輪的中后盤，氣流的流動方式主要是徑向流動。通過這種方式，達到葉輪前盤向中后盤送風，使葉輪中后盤出風的目的。由此可見，通過對葉片形狀進行優化設計，可以在一定程度上增加葉片的送風量以及有效通道的寬度，使得離心風機的效率得到提高，從而保證金屬葉輪的平穩運行。

耐高溫離心風機具有體積小、壓力系數高等一系列優點，在工業、農業等各個領域都得到廣泛應用，是人們生產生活中必不可少的一種機器設備。也證明了消聲蝸殼有很好的降噪效果，并且耐高溫離心風機蝸殼尺寸雖然有一定的增大，但相對于消聲器等其他降噪方法優勢還是很明顯的。離心風機主要由集流器、蝸殼、電機以及葉片四個部件組成。各部件的結構優化對離心風機金屬葉輪穩定運行起著重要的作用。隨著科學技術的發展以及生活水平的提高，對耐高溫離心風機進行結構優化越來越受到人們的關注。因此本文通過對集流器優化、蝸殼優化、電機優化以及葉片形狀進行優化，來觀察結構優化之后的離心風機對金屬葉輪穩定運行的影響，以促進離心風機的生產工作朝著更完善、更健康的方向發展。

原耐高溫離心風機和A 型改進風機在點的噪聲頻譜圖。根據風機參數，風機旋轉噪聲基頻為760 Hz，由頻譜圖可看出在500 ～ 800

Hz 之間的低頻噪聲并沒有降低，而1 250－2 000 Hz 之間吸聲材料的降噪效果非常好，噪聲下降明顯。先單獨分析了進氣箱內部流場特性，然后對進氣箱與風機進行一體化分析，研究進氣箱對離心風機性能的影響。主要原因就是選用的吸聲材料超細玻璃棉在高頻率下，吸聲系數較大，因此多孔吸聲材料其吸聲效果是高頻優于低頻的。消聲蝸殼為B 組合形式時與原風機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。與原風機相比，在額定工況點A 聲級降低約7 dB( A) ，在大流量工況，A 聲級降低約5．0dB( A) ，在小流量工況下，A 聲級降低約2．4 dB( A) 。

在125～ 500Hz 頻段之間，風機A 聲級有所增大，原因是后蓋板加上消聲材料后，葉輪軸向安裝長度加長引起低頻電機振動，噪聲增加。在中高頻段后蓋板加消聲材料的降噪效果很好，這種方式對于氣動噪聲及高頻振動等起到很好的吸收作用，尤其是耐高溫離心風機包括電機的高頻振動噪聲過濾程度明顯。綜合考慮計算精度和計算效率可知，當網格數為25萬左右時預測結果較為合理，最終確定整個計算域的網格數為2513558。消聲蝸殼為C 組合形式時與原風機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。與原風機相比，在額定工況點總A 聲級降低約7．2 dB( A) ，在大流量工況，A 聲級降低約5．5 dB( A) ，在小流量工況，A 聲級降低約3．5 dB( A) 。是消聲蝸殼為D 組合形式時與原風機的出口A聲級隨流量變化的對比圖。與原風機相比，在額定工況點，A 聲級降低約5．14 dB( A) ，耐高溫離心風機在大流量工況，總A 聲級降低約5．0 dB( A) ，在小流量工況，A 聲級降低約2．0 dB( A) 。降噪效果稍微好于A 型改進風機，但不明顯。可見前蓋板加裝消聲材料降噪效果并不好，主要原因由于進口處有集流器，導致安裝消聲材料的面積相對于后蓋板小很多，吸聲效果不明顯。

為改善耐高溫離心風機受氣體粘性影響導致流動分離加劇的現象，在傳統蝸殼型線設計理論的基礎上，研究氣體粘性力矩對蝸殼壁線分布的影響，并采用動量矩修正方法對其進行改型設計。金屬葉輪是離心風機的重要組成部分，對于離心風機的安全運行和性能起著決定作用。另外，為真實反映風機內流場分布情況，在標準k-ε 計算模型的擴散項中加入粘性應力作用，使其高計算誤差降低至3%。對比分析改型前后風機數值模擬計算和試驗測量結果可知，采用修改的k-ε 模型進行計算發現改型后風機內旋渦強度減小，蝸殼出口靠近蝸舌處流動分離得到改善。試驗結果表明：改型耐高溫離心風機出口靜壓提升約25Pa，較大全壓效率較原型機提升約10%。

同時，由于蝸殼張開度擴大能夠抑制流動分離，使蝸舌附近區域的旋渦強度及其影響區域減小，從而有效地降低了多翼離心風機噪聲2.5dB。葉輪進口處的流道變窄會使前盤處脫流區域變大，從而導致金屬葉輪內部損失增加。多翼離心風機廣泛應用于國民經濟的各個領域，是工業生產中主要耗能設備之一，蝸殼作為離心風機中不可或缺的基本元件，其結構的不對稱性及內部流動的復雜性會對葉輪出口氣流角造成較大影響，使其沿圓周方向呈現出明顯的不對稱性。而在風機實際運行過程中，耐高溫離心風機葉輪出口氣流與蝸殼壁面間存在強烈的非定常干涉，使得蝸殼壁面成為風機的主要噪聲源。因此提高蝸殼型線設計水平，不僅能改善風機氣動性能，還能達到降低噪聲的效果。目前國內外學者對離心風機蝸殼型線的研究，主要集中在尋找能真實反映蝸殼內流體流動狀態的設計方法。

將建立好的耐高溫離心風機三維模型導入ICEM 軟件進行混合網格的劃分。其中進出口和葉輪區域采用結構化網格，而蝸殼部分由于其內部結構復雜，尤其是電動機周圍結構并非規則模型，故采用適應性較強的非結構化四面體網格，具體網格如圖3 所示。綜合考慮動靜耦合區域對數值模擬預測結果的影響，在進行網格劃分時，對邊界層進行加密處理，其較低網格質量雅克比[14]在0.3 以上。為了保證數值計算結果的準確性，避免網格誤差對其模擬結果造成影響，對耐高溫離心風機進行網格無關性驗證，如表1 所示。綜合考慮計算精度和計算效率可知，當網格數為25 萬左右時預測結果較為合理，終確定整個計算域的網格數為2513558。k-ε 模型作為為普遍有效的湍流模型，能夠計算大量的各種回流和薄剪切層流動，被廣泛應用于各類風機的數值求解計算中。由效率曲線圖可知，大流量區計算結果比實測結果偏高，小流量區計算結果比實測結果偏低，說明計算結果與實測結果吻合。

由于有梯度擴散項，模型k-ε 方程為橢圓形方程，故其特性同其他橢圓形方程，需要邊界條件：耐高溫離心風機出口或對稱軸處k / n0和/ n0。但上述邊界條件只針對高雷諾數而言，在固體壁面附近，流體粘性應力將取代湍流雷諾應力，并在臨近固體壁面的粘性底層占主要作用。而多翼離心風機由于結構尺寸小、相對馬赫數低，氣體黏性力在流體流動過程中起重要作用，因此，在實際運用過程中，標準k-ε 模型由于未充分考慮粘性力的影響，導致計算模型出現偏差。運用Visual C 將上述修正函數編寫為UDF代碼，并導入Fluent 內置Calculation module。為符合實際運行狀態，耐高溫離心風機進出口邊界條件設置為壓力入口和壓力出口，出口壓降與動能成正比，從而避免在進口和出口定義一致的速度分布[15]。后以CFD 計算的定常結果作為初始條件，進行非定常數值計算。而實際流動過程中，氣體粘性作用常導致其速度在過流斷面上呈現的分布不均勻現象。